(57)【要約】【課題】  振動子を駆動振動させて角速度を検出する静電振動型角速度センサにおいて、温度が変動した際に、振動子の振幅を一定に保ちつつ、寄生容量を介した駆動信号の検出電極への回り込み量が変動することを抑制する。【解決手段】  所定方向に振動可能な振動子１０と、振動子１０に直流電圧からなる第１の所定電圧を印加する直流電源１５と、第２の所定電圧が印加され、振動子１０との間に静電容量を形成する駆動電極１１、１２とを備え、振動子１０が第１の所定電圧と第２の所定電圧とを含む駆動電圧により駆動振動される静電振動型デバイスにおいて、振動子１０の所定方向における振動振幅を検出する振幅検出手段１９と、振幅検出手段１９にて検出した振動子１０の振幅と所定の基準値とに基づいて、駆動電圧に含まれる直流電圧を制御する直流電圧制御手段１５とを設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に振動可能な振動子（１０）と、前記振動子（１０）に直流電圧からなる第１の所定電圧を印加する直流電源（１５）と、前記振動子（１０）に対向して配置されるとともに第２の所定電圧が印加され、前記振動子（１０）との間に静電容量を形成する駆動電極（１１、１２）とを備え、前記振動子（１０）が第１の所定電圧と第２の所定電圧とを含む駆動電圧により駆動振動される静電振動型デバイスであって、
前記振動子（１０）の前記所定方向における振動振幅を検出する振幅検出手段（１９）と、
前記振幅検出手段（１９）にて検出した前記振動子（１０）の振幅と所定の基準値とに基づいて、前記駆動電圧に含まれる直流電圧を制御する直流電圧制御手段（１５）とを備えることを特徴とする静電振動型角速度センサ。
【請求項２】
前記直流電圧制御手段（１５）は、前記振動子（１０）の振幅が前記所定の基準値より大きい場合には前記第２の所定電圧に含まれる直流電圧を低下させ、前記振動子（１０）の振幅が前記所定の基準値より小さい場合には前記第２の所定電圧に含まれる直流電圧を増大させることを特徴とする請求項１に記載の静電振動型角速度センサ。
【請求項３】
前記直流電圧制御手段（１５、２０）は、前記振動子（１０）の振幅が前記所定の基準値より大きい場合には前記直流電源（１５）に前記第１の所定電圧を低下させる旨の制御信号を出力し、前記振動子（１０）の振幅が前記所定の基準値より小さい場合には前記第１の所定電圧を増大させる旨の制御信号を出力し、
前記直流電源（１５）は、前記制御信号に基づいて前記第１の所定電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の静電振動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電気力により振動子を駆動振動させ、角速度を検出する静電振動型角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電振動型角速度センサは、例えば半導体基板をエッチング加工するなどにより、基部、振動子および振動子を駆動させるための駆動電極が形成されている。この静電振動型角速度センサでは、一対の駆動電極に互いに逆相の交流信号（駆動信号）を印加して振動子を所定方向に振動させ、この振動駆動のもと、角速度印加の際にコリオリ力によって振動子が駆動振動方向と直交する方向に振動し、この振動による静電容量の変化を検出電極で検出することで印加角速度を検出するものである。
【０００３】
静電振動型角速度センサは、温度によって空気密度等が変化して振動子の振動振幅が変化するため、角速度の感度は温度特性を持つこととなる。このような温度特性を補正する技術として、振動振幅を計測する電極を設け、この電極の出力が一定になるように振動子への駆動信号としての交流信号を制御して振動振幅を一定するものがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、角速度センサにおいては、駆動電極と検出電極との間に寄生容量が生じ、この寄生容量を介して、駆動信号として用いられる正弦波や矩形波等の交流信号が検出信号に回り込み、ノイズとなって出力される。このノイズはゼロ点オフセットの変動として現れる。このようなゼロ点オフセットの変動を取り除くために同期検波等の回路が用いられるが、完全に取り除くことは困難である。また、上記振動振幅一定制御を行う際、駆動信号（交流信号）の振幅が温度に応じて変化するため、検出電極に混入する回り込みノイズ量も温度により変化する。この結果、ゼロ点誤差が温度特性を持つこととなり、温度センサ等を用いて補正する必要があるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、振動子を駆動振動させて角速度を検出する静電振動型角速度センサにおいて、温度が変動した際に振動子の振幅を一定に保ちつつ、寄生容量を介した駆動信号の検出電極への回り込み量が変動することを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、所定方向に振動可能な振動子（１０）と、振動子（１０）に直流電圧からなる第１の所定電圧を印加する直流電源（１５）と、第２の所定電圧が印加され、振動子（１０）との間に静電容量を形成する駆動電極（１１、１２）とを備え、振動子（１０）が第１の所定電圧と第２の所定電圧とを含む駆動電圧により駆動振動される静電振動型デバイスであって、振動子（１０）の所定方向における振動振幅を検出する振幅検出手段（１９）と、振幅検出手段（１９）にて検出した振動子（１０）の振幅と所定の基準値とに基づいて、駆動電圧に含まれる直流電圧を制御する直流電圧制御手段（１５）とを備えることを特徴としている。
【０００７】
このように、寄生容量の影響を受ける交流成分を一定とし、寄生容量の影響を受けない直流成分を調整することで、寄生容量による駆動信号の検出電極への回り込み量が変動することを防止あるいは抑制することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明のように、直流電圧制御手段（１５）は、振動子（１０）の振幅が所定の基準値より大きい場合には第２の所定電圧に含まれる直流電圧を低下させ、振動子（１０）の振幅が所定の基準値より小さい場合には第２の所定電圧に含まれる直流電圧を増大させるように構成することができ、さらに、請求項３に記載の発明のように、直流電圧制御手段（１５、２０）は、振動子（１０）の振幅が所定の基準値より大きい場合には直流電源（１５）に第１の所定電圧を低下させる旨の制御信号を出力し、振動子（１０）の振幅が所定の基準値より小さい場合には第１の所定電圧を増大させる旨の制御信号を出力し、直流電源（１５）は、制御信号に基づいて第１の所定電圧を制御するように構成することができる。
【０００９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。図１は、本第１実施形態に係る静電振動型角速度センサの概略構成を示すブロック図である。
【００１１】
図１に示すように、角速度センサは、振動子１０、駆動電極１１、１２、振動モニタ電極１３、１４、直流電源１５、ＣＶ変換回路（容量−電圧変換回路）１６、１７、加算器１８、振幅検出回路（振幅検出手段）１９、誤差増幅回路（直流電圧制御手段）２０、位相シフタ２２、加算器２３、バッファ回路２４、インバータ回路２５を備えている。なお、振幅検出回路１９が本発明の振幅検出手段に相当し、誤差増幅回路２０が本発明の直流電圧制御手段に相当している。
【００１２】
振動子１０と駆動電極１１、１２とモニタ電極１３、１４は、半導体基板に周知のエッチング加工を施すことにより形成されており、振動子１０が２軸直交座標方向に変位できるように構成されている。本第１実施形態の振動子１０は、Ｘ方向に駆動振動され、Ｚ軸周りに角速度が印加された際、コリオリ力によりＹ軸方向に振動する。また、図示を省略しているが、本実施形態の角速度センサには、振動子１０のＹ軸方向への変位を検出するための検出電極が設けられている。
【００１３】
駆動電極１１、１２、モニタ電極１３、１４、検出電極（図示せず）は固定電極として構成され、振動子１０には固定電極１１、１２、１３、１４と対向する位置に図示しない可動電極が設けられている。図示を省略しているが、固定電極１１、１２、１３、１４と振動子１０の可動電極はそれぞれ櫛歯状に形成され、互いに噛み合うように対向して配置されている。固定電極１１、１２、１３、１４と振動子１０の可動電極との間には静電容量が形成される。
【００１４】
また、本第１実施形態では、振動子１０に一定の直流電圧Ｖｄｃ１を印加するための直流電源１５が設けられている。なお、直流電圧Ｖｄｃ１が本発明の第１の所定電圧に相当している。
【００１５】
ＣＶ変換回路１６、１７は、振動子１０とモニタ電極１３、１４との間の静電容量の変化を電圧に変換するものである。ＣＶ変換回路１６、１７の出力電圧は加算器１８にて加算される。そして、振幅検出回路１９により、ＣＶ変換回路１６、１７の出力信号の振幅を検出し、検出電圧値として次段の誤差増幅器２０に入力する。誤差増幅器２０は、調整用直流電圧Ｖｄｃ２を発生するものである。
【００１６】
誤差増幅器２０は、振幅検出回路１９の検出電圧値と予め設定した基準電圧値２１と比較し、検出電圧値が基準電圧値より大きい場合には直流電圧Ｖｄｃ２を低下させ、検出電圧値が基準電圧値より小さい場合には直流電圧Ｖｄｃ２を増加させて、誤差（検出電圧値と基準電圧値との差）が０になるように、直流電圧Ｖｄｃ２を調整するように構成されている。
【００１７】
位相シフタ２２は、ＣＶ変換回路１６、１７の出力電圧の位相を９０°シフトするものである。この位相シフトされた交流電圧Ｖａｃと誤差増幅器２０から出力された直流電圧Ｖｄｃ２は加算器２３で加算されてＶａｃ＋Ｖｄｃ２となり、さらにバッファ回路２４、インバータ回路２５を介して駆動電極１１、１２に印加される。各駆動電極１１、１２には、逆相の電圧が印加される。なお、Ｖａｃ＋Ｖｄｃ２が本発明の第２の所定電圧に相当している。
【００１８】
そして、本第１実施形態の静電振動型角速度センサでは、直流電源１５から振動子１０に印加される直流電圧Ｖｄｃ１を一定にして、左右の駆動電極１１、１２に互いに逆相の交流電圧（駆動信号）を印加することにより、振動子１０全体がＸ方向へ駆動振動する。この駆動振動の下で振動子１０にＺ軸周りの角速度Ωが印加されると、振動子１０にはＹ方向にコリオリ力が発生し、振動子１０がＹ方向へ振動（検出振動）する。この検出振動によって、検出電極（図示せず）と振動子１０との間の静電容量が変化する。この容量変化を検出電極（図示せず）で検出することにより、角速度Ωの大きさを求めることができる。
【００１９】
ここで、振動子１０の駆動電圧Ｖｄは下記数式（１）で求めることができる。
【００２０】
Ｖｄ＝Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｖｄｃ…（１）
（但し、Ｖｄｃ＝Ｖｄｃ１＋Ｖｄｃ２）
そして、振動子１０の加振力は、下記数式（２）で求められる駆動電圧Ｖｄの二乗に比例する。
【００２１】
Ｖｄ2＝（Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｖｄｃ）2
＝Ｖａｃ2ｓｉｎ2（ωｔ）＋Ｖａｃ・Ｖｄｃ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｖｄ2
＝Ｖａｃ2（１−ｃｏｓ（２ωｔ））＋Ｖａｃ・Ｖｄｃ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｖｄ2
＝−Ｖａｃ2ｃｏｓ（２ωｔ）＋Ｖａｃ・Ｖｄｃ・ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｖｄ2＋Ｖａｃ2…（２）
上記数式（２）の右辺のうち、第１項は２倍の周波数、第３項は直流であり、ともに振動子１０の共振振動には関与が少なく、主な加振力となるのが第２項であり、その大きさはＶａｃ・Ｖｄｃであることが示される。このため、上記数式（１）で示した駆動電圧Ｖｄのうち、交流成分Ｖａｃは固定であっても、直流成分Ｖｄｃを変化させることで振動子１０の加振力を制御することができることが分かる。なお、上記数式（１）における交流成分Ｖａｃ・ｓｉｎ（ωｔ）は正弦波でも、矩形波でも、ωｔの周期成分をもつ信号であればよい。
【００２２】
以上のことから、振幅検出回路１９により振動子１０の振幅を監視し、基準値との誤差が小さくなるように、誤差増幅回路２０が出力する直流電圧Ｖｄｃ２を制御することで、振動子１０の駆動電圧Ｖｄにおける直流成分Ｖｄｃを制御することができ、振動子１０の振動振幅を一定に制御することが可能となる。この直流成分Ｖｄｃは、センサ上の駆動電極１１、１２と検出電極（図示せず）との間に存在する寄生容量を通過しないので、寄生容量による影響を受けない。このように、寄生容量の影響を受ける交流成分Ｖａｃを一定とし、寄生容量の影響を受けない直流成分Ｖｄｃを調整することで、寄生容量による駆動信号の検出電極への回り込み量が変動することを防止あるいは抑制することができる。これにより、角速度センサのゼロ点オフセットに温度特性が生じることを防止あるいは抑制することができる。
【００２３】
また、本第１実施形態のように、振動子１０に直流電圧Ｖｄｃ１を印加する直流電源１５を設けることで、調整用直流電圧Ｖｄｃ２にＶｄｃ１だけ上乗せして駆動電圧Ｖｄの直流成分Ｖｄｃとすることができ、振動子１０の加振力を増加させることができる。この結果、ＣＶ変換回路１６、１７の感度を向上させることができ、さらにセンサ感度を向上させることができる。
【００２４】
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態について図２に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、直流電源１５の出力電圧を調整する点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【００２５】
図２に示すように、誤差増幅器２０は、振幅検出回路１９の検出電圧値と予め設定した基準電圧値２１と比較して、直流電源１５に制御信号を出力するように構成されている。具体的には、誤差増幅器２０は、検出電圧値が基準電圧値より大きい場合には直流電源１５に直流電圧Ｖｄｃ１を低下させる旨の制御信号を出力し、検出電圧値が基準電圧値より小さい場合には直流電源１５に直流電圧Ｖｄｃ１を増大させる旨の制御信号を出力する。本第２実施形態の直流電源１５は、誤差増幅器２０からの制御信号に基づいて出力する直流電圧Ｖｄｃ１の大きさを調整するように構成されている。これにより、振幅検出回路１９の検出電圧値と基準電圧値２１との差が０になるように、直流電源１５が出力する直流電圧Ｖｄｃ１が調整される。
【００２６】
このように、本第２実施形態の誤差増幅回路２０は、直流電圧Ｖｄｃ２を出力するのではなく、直流電源１５に制御信号を出力するように構成されているので、駆動電極１１、１２に印加される電圧は、位相シフタ２２にて位相シフトされた交流電圧Ｖａｃのみとなり、振動子１０に印加される駆動電圧Ｖｄの直流成分ＶｄｃはＶｄｃ１のみとなる。
【００２７】
以上の本第２実施形態の構成においても、上記第１実施形態と同様に、寄生容量の影響を受ける交流成分Ｖａｃを一定とし、寄生容量の影響を受けない直流成分Ｖｄｃを調整することで、寄生容量による駆動信号の検出電極への回り込み量が変動することを防止あるいは抑制することができる。これにより、角速度センサのゼロ点オフセットに温度特性が生じることを防止あるいは抑制することができる。
【００２８】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、ＣＶ変換回路１６、１７からの交流信号を９０°位相シフトする移相シフタ２２を設けたが、ＣＶ変換回路１６、１７に交流信号の位相をシフトする機能を持たせるように構成してもよく、この場合には移相シフタ２２を省略することができる。
【００２９】
また、上記各実施形態では、ＣＶ変換回路１６、１７からの出力を加算器１８にて加算するように構成したが、これに代えて減算器にて減算するように構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１実施形態の角速度センサの構成を示すブロック図である。
【図２】第２実施形態の角速度センサの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…振動子、１１、１２…駆動電極、１３、１４…モニタ電極、１５…直流電源、１６、１７…ＣＶ変換回路、１９…振幅検出回路、２０…誤差増幅回路、２２…位相シフタ。
【図１】
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【図２】
2005300202.tif 000004